膜分离技术及机理
第七章 膜分离过程 第八章 液膜分离
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类 (1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表 皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液； 多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层) 表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选 择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作 为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
(4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对 有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过 液浓度反而升高。 膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附 能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在 压力下通过毛细管。 例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后 者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。
三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。 优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量 消耗低。操作压力低，泵与管对材料要求不高等。 反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2· h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔 径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定性。 材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。 高分子物质极易粘附和沉积，造成严重的浓差极化和堵塞。 原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。 问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和 其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到一定程度。
膜分离技术
膜污染解决措施： （1）原料液预处理 在原料液中加入一种或几种物质，进行预絮凝、 预过滤或改变溶液Ph值等，从而提高过滤流速。 （2）膜表面改性 制膜过程中加入表面活性剂或可溶性高聚物，提高 膜的抗污染性能和过滤速率。 （3）错流过滤并选择合适的压降、提高过滤速率 传统过滤操作，料 液流向与膜面垂直，膜表面的滤饼阻力大，透过通量很低。而错流过滤， 流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止 滤饼的不断积累，减轻了膜污染，提高了流过速率（图1）。
一、膜分离技术原理及分类
与传统的分离技术相比，膜分离具有以下特点： 第一，膜分离通常是一个高效的分离过程，可以做到将相对分子量为几
千甚至几百的物质进行分离。
第二，膜分离过程耗能低，大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。
第三，多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适于对热过敏物质
的处理。 第四，膜分离设备本身没有运动部件，很少需要维护，可靠度很高。 第五，膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。
（4）膜的清洗 一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂
、络合剂、氧化剂和酶溶液等。 （5）提高膜的耐用性 一方面要根据不同的过滤介质开发更加高
效耐用的分离膜材料；另一方面，要合理设计膜组建；此外还应注意减
少组件结构中的死角，防止物质在此堆积、变质。
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一、膜分离技术原理及分类
三、膜分离技术的问题及解决措施 主要问题有以下几个方面： （1）浓差极化，造成膜过滤流速下降。 在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透 过膜的溶质受到摸得截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于主体浓度， 造成浓差极化，溶质析出，附着在膜表面，形成阻力层，使有效压差减小 ，透过通量降低。 （2）膜污染严重，且清洗困难。 膜污染来源于：a、浓差极化引起的凝胶层；b、溶质在表面的吸附 层；c、膜孔堵塞；d、膜孔内的溶质吸附。 （3）膜的耐用性差
膜分离的操作方式
膜分离的操作方式1. 膜分离的基本原理膜分离是一种通过膜的选择性通透性实现物质分离的技术。
膜分离的基本原理是利用膜的孔隙结构或表面性质，使得不同成分的物质在膜上发生不同的传质、传递现象，从而实现物质的分离。
2. 膜分离的操作步骤膜分离的操作步骤主要包括前处理、膜分离过程和后处理三个部分。
2.1 前处理前处理是指在膜分离过程之前对原料进行的处理步骤，主要目的是去除悬浮物、颗粒物、胶体物等杂质，以保护膜的使用寿命和效果。
常见的前处理方法包括沉淀、过滤、调节pH值等。
2.2 膜分离过程膜分离过程是指将前处理后的原料通过膜分离设备进行分离的步骤。
根据不同的分离机理和应用需求，膜分离过程可以分为压力驱动式、浓度差驱动式和电场驱动式三种方式。
2.2.1 压力驱动式膜分离压力驱动式膜分离是指通过施加一定的压力差，使原料液体在膜上发生渗透和分离的过程。
常见的压力驱动式膜分离包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等。
压力驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 施加一定的压力差，使原料液体在膜上发生渗透和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物，将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.2 浓度差驱动式膜分离浓度差驱动式膜分离是指通过维持两侧溶液的浓度差，使溶质通过膜进行传质和分离的过程。
常见的浓度差驱动式膜分离包括电渗析和渗透气体分离等。
浓度差驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体分为两侧，分别放置在膜分离设备的两侧。
2. 维持两侧溶液的浓度差，通过膜进行溶质的传质和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物，将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.3 电场驱动式膜分离电场驱动式膜分离是指通过在膜上施加电场，利用离子的电荷特性进行传质和分离的过程。
常见的电场驱动式膜分离包括电渗析和电吸附等。
电场驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 在膜上施加电场，使离子在膜上发生迁移和分离。
水污染控制技术-膜分离
膜分离
二、电渗析
（一）电渗析原理
海水或咸水中的盐分，能够解离成阳离子和阴离子。因 此，在直流电场作用下，利用只接通过阳离子的阳离子 交换膜和另一种只能通过阴离子的阴离子交换膜，分别 选择性地除去水中的阳离子和阴离子，从而达到分离、 浓缩和谈比的目的。
（二）电渗析装置
（三）反渗透装置
膜分离
1．板框式反渗透装置
这种装置的优点是结构简单，体积比管式的小， 缺点是装卸复杂，单位体积膜表面积小。
2. 管式反渗透装置
这种装置的优点是水利条件好，适当调节水流状 态就能防止膜的污染和堵塞，能够处理含悬浮物的溶 液，安装、清洗、维修都比较方便。它的缺点是：膜 的有效面积小，装置体积大，而且两头需要较多的联 结装置。
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2. 制造食盐
日本采用电渗析法制造食盐，最近将过去的盐田法逐步改为电渗析法。这种方法首先要进行海水的前处理。先 将盐水过滤，调节pH值，制成适合于电渗析的海水。再将它浓缩成盐浓度为18-20％的浓缩液。海水的盐浓度为 3%，用电渗析法可浓缩至6—7倍。将这种浓缩液在真空蒸发罐中加热从而制成固体盐，用这种方法制成的盐相当 纯，据说用于食品加工中味道很好。由于太纯，还要适当加入微量的镁盐。
（五）应用实例
膜分离
1. 反渗透法与离子交换法组合处理电镀含镍废水
采用醋酸纤维素反渗透膜的管式反渗透器及丙烯酸型725强酸性阳离子交换树脂。这种树脂在pH值为4 左右时，对废水中的镍离子的交换可以达到全饱和，有较大的交换容量，适合于吸附电镀废水中的镍离子。 用反渗透法处理电镀废水时，铜、铬、锌等的分离率在95%以上。
污水的物理处理技术 ——膜分离
膜分离技术的研究进展及其应用展望
膜分离技术的研究进展及其应用展望膜分离技术是一种重要的分离技术，主要通过多孔膜的筛选作用实现物质分离。
该技术已经广泛应用于生物技术、食品工业、化学工业、环保工程、医药等领域。
本文将介绍膜分离技术的研究进展及其应用展望。
一、膜分离技术的研究进展（一）膜材料的研究膜材料是膜分离技术的基础，目前主要有有机膜、无机膜和复合膜三种类型。
有机膜主要包括聚酯薄膜、聚碳酸酯薄膜、聚氨酯薄膜等。
这些膜材料具有重量轻、成本低的特点，但是它们的相对分子质量截止率较低，不能满足高精度的分离要求。
无机膜主要包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜等。
这些膜材料具有相对分子质量截止率高、高温抗腐蚀、使用寿命长的特点，但是成本昂贵，生产工艺复杂。
复合膜则是综合了有机膜和无机膜的优点，同时避免了它们的缺点，被广泛应用于分离领域。
（二）膜分离机理的研究膜分离机理主要包括纳滤、超滤、微滤和逆渗透等，其中逆渗透技术是目前应用最广泛的一种膜分离技术。
它主要利用高压将溶液逆向渗透过一种微孔膜，使得溶液中间的水分子进入膜孔，而其他大分子物质则难以通过膜孔的筛选。
逆渗透技术广泛应用于海水淡化、饮用水净化、污水处理、浓缩果汁等领域。
（三）膜分离过程的研究膜分离过程主要包括内部浓度极化层、外部浓度极化层、膜分离区等几个步骤。
其中，内外两层浓度极化层对分离效果有非常重要的影响，需要根据实际情况进行调整和优化。
此外，膜分离过程中存在一些不确定性因素，如温度、压力、污染物等，这些因素为分离过程带来了一定的不稳定性。
二、膜分离技术的应用展望（一）水处理领域随着全球水资源日益紧张，不断有新的水处理技术被推出。
膜分离技术通过其高效、节能、环保等特点，被认为是未来水处理领域的重要突破口。
目前，膜分离技术已经广泛应用于海水淡化、饮用水净化、污水处理、水中微量有害物质的去除等方面。
（二）食品工业膜分离技术已经广泛应用于食品的处理和包装。
例如，利用膜分离技术，可以从牛奶中分离出蛋白质、糖类、脂肪等成分，生产出优质乳制品；同时，膜分离技术也可以帮助包装行业实现食品保鲜、防腐、防污染等需求，满足人们对于健康、安全、方便的生活需求。
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
04
膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
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膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
03
膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
06
膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
膜分离技术
混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主, 其分离过程应尽 可能满足下述条件: 多孔膜的微孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程。 由于在大气压力下的λ的值在1000-2000Å，为了使分子流占优势, 取得良好的分离效果, 一般要求多孔膜的孔径在( 50 ~ 300) Å；
混合气体的温度应足够高, 压力尽可能低。
膜改性
（1）表面活性剂改性
表面活性剂是由至少两种以上极性或亲媒性显著不同 的官能团，如亲水基和疏水基所构成，具有不对称结构。 在其与溶液相接的界面上，由于官能团的作用形成选 择性定向吸附，界面的状态和性质即随之发生显著变化。 非离子型表面活性剂会在与它相接的截面上形成致密的亲 水层，改善界面的亲水性。离子型表面活性剂含有电荷可 以通过静电排斥相同电荷的物质在界面上的吸附。
气体从膜的低压侧表面上脱附出去
m= D· · · d A S ΔP/ = ( P / d) · · A ΔP =J · · P A Δ 式中: P -----D· 渗透系数（10-8---10-14） S J------D· 渗透速率 S/d
（2）表征膜性能的基本参数
渗透速率（J） J=D· S/d
膜改性
（5）辐照接枝改性
辐照接枝改性对于聚合物材料的物化特性和制备亲水性的 膜是一种行之有效的方法，是膜表面改性的重要途径之一。 它主要是利用高能Y射线或电子束对聚合物进行高能辐射， 使其产生活性种，然后活性种引发单体进行接枝聚合反应， 把某些性能的基团或聚合物支链接到膜材料的高分子链上， 使膜具有某些需要的性能。 聚合物改性既可改变膜的物理、机械性能，又可改变膜的 化学或物理性能。
膜改性
技术优点
膜技术简介全
4、膜分离技术在现代生物技术中的应用
膜已经成为生物技术工程中不可缺少的一部 分。发酵培养基的灭菌过滤、缓冲剂的纯 化和蛋白质产品的制备都经常应用膜分离 技术。其中，病毒过滤是确保生物制品安 全性最常见的单元分离过程。一些病毒具 有强的耐热和耐化学性质，采用加热和化 学失活的方法不能完全杀死这些病毒，而 选择适当微滤或超滤膜则可以有效去除这 些病毒。因此，膜分离技术已成为确保现 代生物制品纯度、安全和效用的基本技术 。
1、按膜材料分类
• 纤维素及其衍生物膜 • 聚砜膜、聚酰胺、聚酰亚胺膜 • 聚丙烯腈膜、聚烯烃膜 • 聚乙烯醇膜、硅橡胶膜 • 陶瓷膜 • 金属膜 • 液膜
2、按制备工艺分类
• 溶液相转化膜 • 熔融挤出膜 • 拉伸膜 • 复合膜 • 核踪痕膜 • 动力形成膜
3、按外形分类
• 片状膜 • 管状膜 • 中空纤维膜
压力差
1001000KPa
0.02-10um 1-20nm
筛分 筛分
多孔膜 非对称膜
纳滤 NF
小分子
脱除大分 子
压力差
5001500KPa
非对称膜 1nm以上 溶解扩散 或复合膜
反渗透 RO
溶剂
压力差
脱除溶质
100010000KPa
0.1-1nm
非对称膜 优先吸附 或复合膜
RO、NF、UF、MF分离示意图
一、膜 科 学
1、膜定义 2、膜结构 3、膜分离机理 4、膜技术特点 5、影响膜的因素 6、膜分离操作方式 7、表征膜性能的参数
1、膜定义
膜：膜是在两相之间通过压力实现分离的一 种物质
1.1、膜不是单纯的隔板或栅栏，它具有分离 功能，对不同物质具有选择透过性；
1.2、膜可以是固体、液体、气体等； 1.3、膜具有良好的机械强度和化学稳定性。
膜技术原理
膜技术原理
膜技术是一种利用半透膜进行分离、浓缩、纯化等操作的工艺技术。
它在水处理、食品加工、医药制备、化工生产等领域有着广泛的应用。
膜技术的原理主要包括膜分离、膜传质和膜反应等方面。
膜分离是膜技术的核心原理之一。
它利用膜对不同物质的选择性渗透性，将混合物中的组分分离开来。
膜分离可以根据不同物质的大小、形状、电荷等特性，通过超滤、纳滤、反渗透等方式实现。
例如，反渗透膜可以有效地去除水中的盐分和杂质，实现水的净化和淡化。
膜传质是指在膜表面或膜孔道内，物质通过膜的传递过程。
它包括了扩散、对流和吸附等传质方式。
在膜传质过程中，膜的孔径、孔道结构、表面性质等因素会影响物质的传递速率和选择性。
因此，在膜技术的应用中，需要根据不同的传质特性选择合适的膜材料和工艺条件，以实现有效的分离和浓缩。
膜反应是指在膜表面或膜孔道内进行化学反应的过程。
膜反应技术结合了传统反应工艺和膜分离技术的优势，可以实现高效的反应和分离。
例如，膜反应器可以在膜表面固定催化剂，利用膜对反应物和产物的选择性传递，实现连续的反应和分离过程。
总的来说，膜技术的原理是利用半透膜的选择性渗透性和传质特性，实现物质的分离、传递和反应。
通过合理选择膜材料、优化工艺条件和设计合适的设备，可以实现高效、节能、环保的生产过程。
膜技术在工业生产和环境保护中有着重要的应用前景，将对各行业的发展起到积极的推动作用。
膜分离
分离膜种类
1.2 膜分离技术发展简史
1）高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特发 现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的 研究。 2）1861年，施密特首先提出了超过滤的概念。他提出用比 滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加 压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋 白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可 称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。
表示如下：
（C) 复合制膜工艺
1.10 膜的保存
微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜； 而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适 当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破 坏膜的结构。 膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径
大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜
（C）在常温下进行，适合处理热敏性物料； （D）设备没有运动的部件，可靠性高，操 作、维护方便。
1.6 膜分离过程的传递机理
物质透过膜的三种传递方式：被动传递、促进 传递和主动传递。 （A）被动传递：物质由高化学位相侧向低化
学位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的
推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、 St （C)通量衰减系数。膜的渗透通量因浓度极 化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而 衰减。
Jt J1 t
m
Jt、J1为膜运转t小时和1 h后的透过速度；t为 运转时间，m为衰减系数。
1.5 膜分离特点
（A）无需外加物质，可实现高纯度的分离； （B）过程不发生相变化，能耗较低；
与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水， 也会造成膜地变形收缩。 短期（1、2天）：无菌水；中期（1、2星期）：0.1% NaOH 长期（1个月以上）: 2-5% 甲醛 5%甘油（冬天）
纳滤的分离机理
纳滤（nanofiltration）是一种膜分离技术，具有介于超滤和反渗透之间的分离范围。
其分离机理主要涉及物质的大小排斥效应、电荷作用以及溶质与膜的亲疏水性等因素。
纳滤膜通常由多孔的聚合物材料构成，具有较小的孔径，可有效分离溶质和溶剂之间的物质传递。
纳滤过程中的分离机理主要包括以下几个方面：
1. 大小排斥效应：纳滤膜具有相对较小的孔径，可以选择性地阻止较大分子或颗粒通过，而允许较小分子通过。
这是纳滤的主要分离机制之一。
2. 电荷作用：纳滤膜表面通常带有电荷，可以通过电荷作用来排斥或吸引不同电荷的溶质。
带电的溶质分子会与带电的膜表面发生相互作用，因而产生分离效果。
3. 亲疏水性：纳滤膜表面通常具有一定的亲疏水性，能够选择性地吸附或阻止亲疏水性溶质的传递。
这种亲疏水性的差异会导致溶质在膜表面的吸附或浸润，从而实现分离效果。
总的来说，纳滤的分离机理是通过选择性地排斥较大分子、利用电荷作用和调控亲疏水性等多种因素，实现对不同大小、电荷和亲疏水性的溶质的分离与富集。
这使得纳滤广泛应用于水处理、食品加工、化学工艺等领域中的溶质分离和浓缩操作。
《膜分离技术》PPT课件
缓冲液
精选ppt
无机盐
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2. 微 滤
以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用 筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的 操作。操作压力0.05-0.5MPa。
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35
• 微滤应用 1) 除去水/溶液中的细菌和其它微粒； 2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白 质等多种溶液中的菌体； 3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的 悬浊物、微生物和异味杂质。
F
精选ppt
11
17.1 膜材料 与膜的制造
精选ppt
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膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般膜操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。
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28
4完整性试验
• 本法用于试验膜和组件是 否完整或渗漏。
• 将超滤器保留液出口封闭， 透过液出口接上一倒置的 滴定管。自料液进口处通 入一定压力的压缩空气， 当达到稳态时，测定气泡 逸出速度，如大于规定值， 表示膜不合格。
× 保留液 出口封闭
压缩空气
• 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质 以扩散的形式移动。
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透析原理图
大分子
透析膜 小分子
水分子
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透析法的应用
常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类 的小分子杂质，
膜分离技术(精细化学品分离提纯技术)
187.5 127.0 54.2 5.8
分离系数
106 36 7.2 3.2
可见：要实现有效分离，必须选择一个能优先溶解一种溶 质而排斥所有其他溶质的膜溶剂。
2.滴内化学反应型 （膜相中不含流动载体）
定义：若在溶质的接受相内添加与溶质能发生化学反应的 试剂，通过化学反应来促进溶质迁移的方 法叫滴内化学 反应型液膜法
8.2 渗析技术
渗析又叫透析。它是通过半透膜实现分离的。
半透膜：只允许某些分子透过（如水），而不允许另一些物 质（如生物大分子）透过的透气性薄膜。如：膀胱，肠膜。
渗析原理：渗析是使用具有一定孔径的半透膜，将待渗析的 样品与水（或低盐缓冲溶液）隔开。样品中的盐和分子直 径小于膜孔径的较小分子可以透过膜进入水一侧，而另一 侧的水也会透过膜进入样品液一侧。经过一段时间达到渗 透平衡后， 样品中盐的浓度和能透过膜的小分子的浓度 下降。此时可将水换成新鲜水，再进行第二次透析。经过 多次操作，样品中的盐和小分子物质基本上被除尽，而只 留下分子直径比膜孔径大无法穿过膜的物质在样品液中， 从而达到了分离的目的。
• 膜萃取（是膜技术与萃取过程相结合的新型膜分离技术，又称固定
膜界面萃取。膜萃取过程中，萃取剂与料液分别在膜两侧流动，传质 过程是在分隔两液相的微孔膜表面进行的，没有相分散行为发生。）
• 膜分相（利用多孔固体膜表面与乳浊液中两相的物化作用不同，其
中一相优先吸附在膜表面上，形成纯的液相层，在膜两侧极小压差作 用下，此相优先通过分相膜的孔，从而达到两相分离的目的。）
8.4 其他膜分离过程
• 膜蒸馏（在疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接即暖层，而
在膜的另一侧则与低温冷壁相邻即冷层。正是借助这种相当于暖层与 冷层之间温度差的蒸气压差，促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔， 再经扩散到冷侧的冷壁表面被凝缩下来，而液相水溶液由于多孔膜的 疏水作用无法透过膜被留在暖侧，从而达到与气相水分离的目的。）
膜分离工作原理
膜分离工作原理膜分离技术是一种常用于分离混合物的方法，通过使用半透膜，根据溶质的大小、形状、电荷等特性，将混合物中的成分有效地分离出来。
本文将介绍膜分离的工作原理，以及在不同领域中的应用。
1. 膜分离的基本原理膜分离的基本原理是利用半透膜对混合物进行筛分，将溶质从溶剂中分离出来。
膜通常由多孔材料或聚合物构成，具有特定的孔隙结构。
根据溶质在膜上的传质方式，膜分离可以分为四种基本类型：压力驱动型、浓度驱动型、超滤型和电动力型。
2. 压力驱动型膜分离压力驱动型膜分离是将溶剂和溶质通过正、负压力的作用，使其通过膜的微孔或孔隙。
常见的压力驱动型膜分离方法包括Reverse Osmosis（反渗透）、Nanofiltration（纳滤）和Ultrafiltration（超滤）。
其中，反渗透膜分离的孔径最小，可以去除水中的离子、微生物等溶质。
3. 浓度驱动型膜分离浓度驱动型膜分离是通过浓度差异推动溶质通过膜。
渗透压是浓度驱动型膜分离的主要原理，取决于溶质和溶剂之间的浓度差异。
渗透压越大，溶质通过膜的能力越强。
渗透膜的选择应根据溶质的性质和分离要求来确定。
4. 超滤型膜分离超滤型膜分离以孔径大小来分离溶质。
超滤膜的孔径范围通常在1-100纳米之间，可以将溶质中的大分子物质（如大分子蛋白质）分离出来，同时允许小分子物质（如溶剂和离子）通过。
5. 电动力型膜分离电动力型膜分离是通过电场的作用来分离混合物。
电动力型膜分离常用于离子选择透膜、电渗析和电吸附等领域。
这种方法利用了电学性质的差异来实现溶质的选择性分离。
6. 膜分离的应用领域膜分离广泛应用于水处理、食品加工、生物制药、化工、环境保护等领域。
在水处理中，膜分离可以去除水中的悬浮物、微生物、离子和溶解性有机物，提供高纯净水。
在食品加工中，膜分离可用于浓缩果汁、乳制品加工和酒精提纯等。
在生物制药领域，膜分离技术被用于蛋白质纯化、细胞培养和药物输送等。
总结：膜分离是一种有效的混合物分离方法，通过利用膜的特性和传质方式，能够实现对不同尺寸、形状和电荷的溶质的选择性分离。
简述反渗透膜的分离机理
简述反渗透膜的分离机理反渗透膜是一种通过压力差将溶液中溶质与溶剂分离的膜分离技术。
它的分离机理主要是基于溶质分子和溶剂分子之间的尺寸排斥效应和电荷排斥效应。
尺寸排斥效应是反渗透膜分离的基础。
反渗透膜具有非常小的孔径，通常在0.1纳米至10纳米之间。
这个孔径范围内，大部分溶质分子无法通过。
当溶液施加一定的压力后，溶剂分子可以通过这些孔径，而溶质分子由于尺寸过大无法通过，从而实现了溶质和溶剂的分离。
电荷排斥效应也是反渗透膜分离的重要因素。
反渗透膜通常是由聚合物材料制成的，这些聚合物材料表面带有电荷。
当溶质分子与带电膜表面接触时，由于溶质分子和膜表面之间的静电排斥作用，溶质分子无法通过膜孔径，从而实现了溶质和溶剂的分离。
除了尺寸排斥效应和电荷排斥效应，溶剂渗透压也是影响反渗透膜分离的重要因素。
溶剂渗透压是指溶剂在一定条件下通过反渗透膜的趋势，与溶剂的浓度和温度有关。
当溶液施加一定的压力后，溶剂分子会从低渗透压一侧通过膜孔径，而溶质分子则被留在高渗透压一侧，实现了溶质和溶剂的分离。
溶剂的渗透速率也会受到反渗透膜的表面形态和组成的影响。
反渗透膜表面可以通过改变表面形态或引入特定的功能基团来改变其亲水性或疏水性，从而影响溶剂的渗透速率。
例如，增加膜表面的亲水性可以提高溶剂的渗透速率，而增加膜表面的疏水性则会降低溶剂的渗透速率。
在实际应用中，反渗透膜的选择要根据需要分离的溶质和溶剂的特性进行。
一般来说，反渗透膜对溶质的分离能力与溶质的分子尺寸和极性有关，而对溶剂的分离能力则与溶剂的渗透压有关。
不同的反渗透膜具有不同的分离性能，可以根据具体需求选择合适的反渗透膜。
反渗透膜的分离机理主要包括尺寸排斥效应、电荷排斥效应和溶剂渗透压。
这些机理共同作用，使得溶质和溶剂能够通过反渗透膜实现有效分离。
反渗透膜技术在水处理、海水淡化、废水处理等领域有着广泛的应用前景。
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2、反渗透的原理
由于浓度差存在，半透膜 又不允许溶质通过，所以 水透过膜，使浓水一边液 面升高，产生渗透压
在浓水边加压，当压力 超过渗透压时，则水透 过半透膜，即反渗透，
❖阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子交换基团， 在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并 使其通过。
❖ 复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄 的网布做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极， 阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示 出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降 低，膜两侧相应的离子进入膜中。
Na+ +
固定离子
-
Cl-
正极 阴离子交换膜 负极
电渗析分离原理示意图
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2．离子交换膜
❖ 离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，含 有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子 交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合 膜等。
❖阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换 基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负 电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并 使其通过。
3．反渗透膜及其透过机理
（1）反渗透膜的性能要求 ❖ 选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高； ❖ 机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨； ❖ 热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生
π = icRT 或 π=n/VRT
式中：c为溶液的摩尔浓度；i 为溶质分子电离生成的离子数； π是溶液的渗透压（kPa）；V是溶液的体积（dm3)；n是溶 质的物质的量；R是摩尔气体常数；T为绝对温度。
若在溶液的液面上再施加一个大于Π 的压力P时，溶剂将与 原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所 谓的反渗透。
▪ 在工业方面的应用
• 从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液 中回收硝酸等；
• 从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH
二、电渗析（electrodialysis，简称ED ）
1．电渗析的基本原理 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差
为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中 阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离 子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶 液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。 从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的 一种膜过程。
实现净化过程。
开始时两边液 面相同
半透膜
渗透和反渗透原理示意图
一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。当把 溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜 的两 侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或 从低 浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透。此 时单位面积上的推动力称为该溶液的渗透压Π 。
❖ 特点 ➢ 常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低； ➢ 杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质； ➢ 较高的水回用率； ➢ 分离装置简单，容易操作和维修。
❖ 应用范围
➢ 海水和苦咸水脱盐制饮用水；
➢ 太空水、纯净水、蒸馏水、医药、化学工业中 所需的超纯水等制备；
➢ 用于造纸、电镀、印染等行业用水及重金属废 水处理。
第三节 膜分离技术及应用
微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点： ①以膜两侧压力差为推动力；②按体积大小而分离；③膜的制
造方法、结构和操作方式都类似。 微滤、超滤、纳滤、反渗透区别： ① 膜孔径：微滤0.1-10m > 超滤0.01-0.1 > 纳滤0.001-
0.01m > 反渗透 小于0.001m ② 分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、
回收液 / 扩散液
扩散渗析回收酸原理示意图
(1) — 原液室；(2) — 回收液室；A — 阴离子交换膜
3、优缺点：
▪ 优点：能耗小，设备结构简单，操作方便， 不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需 要加入其它化学药剂。
▪ 缺点渗析速度慢，分离效率低。
4、应用：
▪ 在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途 是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有 人工肺。
电渗析应用
工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理 生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱
盐和分离纯化。
三、反渗透（RO）Reverse Osmosis
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留 离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使 溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。
纳滤、反渗透为分子级水平的分离； ③ 分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗
透机理是渗透现象的逆过程： ④ 压差：微滤、超滤和纳滤压力差约为0.1-0.6 MPa
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Hale Waihona Puke 一、扩散渗析（diffusion dialysis）
1、渗析：把水溶液中溶剂透过半透膜而溶质被截留 的现象称为渗析。
▪ 半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。 ▪ 半透膜的发展：
• 动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸； • 离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜
2、扩散渗析的原理
利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动力来实现 酸与盐或者碱与酸的分离。
❖ 扩散渗析法回收酸的原理
残液 / 渗析液
H2O
H+ H+
SO42- SO42-
（1）
Fe2+
A
H+ H+ SO42-
（2）
废酸液
离子交换膜和离子交换树脂的区别：
作用机理
使用方法
树脂
膜
离子间交换 选择互换作用
RSO3－H+
Na+ H+
选择透过作用， RSO3－Na+
膜上反离子是 H2O
什么，无关紧 Na+
Na+
要，主要是骨
Cl－
架的电荷作用。
解吸后须再生，并恢 复成原来的离子型式， 才能继续使用。
可连续使用， ∵是透过，不是交换。
操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。
❖ 反渗透孔径很小，对分子量>300的电解质、非电解质都可有 效的除去，其中分子量在100～300之间的去除率为90％以上。 还可去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、 病毒等。已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、 饮用蒸馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。